DE3514354A1

DE3514354A1 - Gekuehlte gasturbine mit lastabhaengig regelbarer kuehlluftmenge

Info

Publication number: DE3514354A1
Application number: DE19853514354
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8060 Dachau Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1985-04-20
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1986-10-23
Also published as: EP0203353A1; JPH0476020B2; DE3661433D1; US4709546A; JPS61252838A; EP0203353B1

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Gasturbine mit lastabhännie: regelbarer Kühlluftmens-e, wobei ein leitschaufelgeregelter oder ein abblasegeregelter Verdichter vorgesehen ist, und mit einer dem Verdichter nachgeordneten Hochdruckturbine.

Gasturbinen mit hochwertigen Kreisprozessen sind durch hohe Verdi chterdruckverhältrsisse, hohe "T'urbinerieintrittsten-peraturer;, niedrige interne Verluste, niedrige Leckagen und niedrige intern über die Struktur transportierte V/ermemenger: rekennzeicb.net. V/ährend d?.s Terdichterdruckverhältnis primrr den spezifischen Brennstoffverbrauch der Haschine bestimmt, ist die TurbineKeintrittstenperatur primäre Binflußgröße für die spezifische Leistung, somit für Gev.'icht und AuHenabmessun^en der Gasturbine und Teilen ihrer Ausrüstung - wie beispielsweise Zu- und Abluftleitungen.

überschreitet die Turbineneintrittstemperatur bestimmte Grenzwerte, so ist eine Kühlunr bestimmter Baugruppen 35

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erforderlich. Liese Grenzwerte liegen bei heute verfügbaren polykristallin erstarrten ITickelbasislegierungen bei ca. 1300⁰K, bei in naher Zukunft zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten verfügbaren gerichtet erstarrten, ein- · kristallin erstarrten oder oxiddispersionsgehärteten Legierungstypen bei 1380-140O⁰K. Die Kühlung von Bauteilen in Gasturbinen erfolgt fast ausschließlich mit Luft, die meist hinter dem Verdichter dem Kreisprozeß entzogen wird, zur Arbeitsleistung in der Turbine größtenteils verloren ist und daher die Leistungsdaten der Maschine negativ beeinflußt. So bedeutet beispielsweise bei einer modernen Gasturbine der 1000'kW-Leistungsklasse mit einem Durchsatz von ca. 3,6 kg/s, einem Verdichterdruckverhältnis von ca. 13 und einer Turbineneintrittstemperatur von ca. 1500⁰K die Einsparung von einem Prozent Kühlluft eine Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauchs von 0,9$ bei einem gleichzeitigen Anstieg der spezifischen Leistung von 1,9^· Typische Kühlluftverbrauchsmengen von Gasturbinen der oben genannten Leistungsklasse sind im Falle einstufi-E^¹ Hochdruckturbinen ca. i,5-2#_t im Falle zweistufiger Hochdruckturbinen ca. 3~5& des Gesamtdurchsatzes. Diese Leistungs- und Verbrauchsnachteile sind auch in allen Teillastpunkten hinzunehmen, wo infolge der Leistungs-Temperaturzuordnunf eine Kühlung beispielsweise der Eochdruckturtinenbeschaufeiunrr nicht mehr erforderlich wäre.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer gefühlten Gasturbine mit lastabhängig regelbarer Kühlluftmenge gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, die insbesondere auch in Teil- QQ lastpunkten gute Leistungs- und BrennstoffVerbrauchswerte im Itochdruckteil mit Hilfe einfacher Mittel einrichtet.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß eine Anordnung zur Mengenregelung für die

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Kühlluft in der Hochdruckturbine vorgesehen ist, welche an die Regeleinrichtung (en) dec Verdichters starr angekoppelt ist. - ...

Bevorzugt ist die Anordnung zur Mengenregelung der Hochdruckturbine mit einem Kühlluftabschaltventil in Form eines Drehschiebers auf der Eingangsseite der Hochdruckturbine vorgesehen, welcher über ein am Verdichtergehäuse befestigtes Gestänge betätigbar ist.

Bei einer Gasturbine mit einem leitschaufelgeregelten Verdichter weist das Gestänge bevorzugt einen zweiseitigen Hebel auf, an dessen einer Hälfte die einzelnen Regeleinrichtungen für zumindest einige Leitschaufeln des Verdichters zwecks Verstellung des Staffelungswinkels in einem bestimmten Drehzahlbereich stetig und in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl eingreifen und an dessen anderem Ende ein im Verdichtergehäuse gelagerter Schieberstellhebel angelenkt ist, der mit seinem anderen erv.'eiterten Ende in eine Kulisse des Drehschiebers eingreift.

ErfindungsgemäB- v/erden mithin die an Verdichter mittlerer und höherer Druckverhältnisse ohnehin vorhandenen Regeleinrichtungen wie z.B. Abblaseventile oder verstellbare Leitschaufeln bei einer bestimmten Anzahl der Verdichterstufen dazu ausgenutzt, auch den Hochdruckturbinenteil der Gasturbine im Einblick auf die Kühlluftmenge zu re- ~ein, und zwar in direkter Abhängigkeit der Verdichterregelung infolge der starren Ankopplung. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Kühlungserfordernisse bzw-, der Kühlluftbedarf für die Beschaufelung im {Turbinen bereich etwa denselben Gesetzmäßigkeiten wie die Teillastregelung des Verdichters folgt. Es wird mithin im gekühlten Gasturbinentriebwerk die Kühlluftmenge insgesamt in

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Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Triebwerks geregelt, wobei die Kühlluft nicht hinter dem Verdichter dein Kreisprozeß nach dem Stand der Technik entzogen wird, sondern die Kühlluft des Verdichters selbst für die Kühlung des Hochdruckturbinenteils verwendet und gegebenenfalls in Teillastpunkten vermindert oder gänzlich gesperrt wird. Dies ist insbesondere bei Gasturbinen von Vorteil, die für Hubschrauberantriebe Verwendung finden, welche sehr häufig im tiefen Teillastbereich betrieben werden. Es ergeben sich deutliche Verbesserungen der Leistungsdaten infolge der gänzlichen oder teilweise vollzogenen Abschaltung der Kühlluft für die Beschaufelung der Hochdruckturbine in einem Teil des Leistungsbereichs, d.h. infolge der Kühlluftmengenregelung entsprechend den tatsächlichen Kühlungserfordernissen.

Eine erfindungsgemäß gestaltete Gasturbine hat gegenüber einer konventionellen nicht nur die Vorteile einer deutlichen Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauchs, insbesondere im mittleren und tiefen Teillastbereich sowie Anpassung der Kühlluftmenge über die Charakteristik des Absperrorgans an den tatsächlichen Bedarf, sondern darüber hinaus eine weitgehend konstante Temperatur der zu kühlenden Bauteile. Durch, de:': VJegfall eines Teils der thermischen Lastsyklen ergibt sich in vorteilhafter "veise :^perner eine Verbesserung der thermischen Lebensdauer der betreffender! Bauteile. Darüber hinaus werden die jeweiligen Teillastpunkte des Triebswerkec bei niedrigen Drehzahlen des Gasgenerators erreicht, wodurch sieb eine er-

2Q höhte Lebensdauer aller rotierenden Bauteile im Gasgenerator ergibt. Kerrelungstechniscb stellt sich kein Kehraufwand, teprenüber konventionellen Gasturbinen ein.

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In einen praktischer! Ausführungsbeispiel konnten folgende Werte ersielt werden, und zwar bei einem Basiskreispro seß eines Gasturbinentriebwerks mit zweistufiger Hochdruckturbine :

- Kühlluftverbrauch in der Hochdruckturbine: 3?S (davon 2fj für Stufe 1, 1# für Stufe 2),

- Kühlluftmengenregelung L/fi^ in Abhängigkeit der

Turbineneintrittstemperatur QV_x. gemäß der Gesetzmäßigkeit der Pig. ρ.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich durch die I-ierkmale des Anspruchs 4.

Im Zuge einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann mithin zusätzlich die Kühlluftmengenregelung in Abhängigkeit der Turbineneintrittstemperatur gebracht werden, indem ein von der für Regelungszwecke ohnehin zu messenden Verdichtereintrittstemperatur angesteuertes Korrekturglied das von der Leitschaufelstellung angesteuerte Kühlmittelventil im Sinne einer ITullpunktverschiebung der Ventilcharakteristik beeinflußt.

Während die ausschließlich drehzahlabhängige Regelung des Kühlmitteldurchsatzes für die Kehrzahl aller in Bodennähe betriebenen Gasturbinen (z.B. Hubschrauber-, Marine- und Industriegasturbinen) die beschriebenen Verbesserungen bringt, berücksichtigt die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung die übliche Rating-Struktur

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von Luftfahrtgasturbinen, die auch in größeren Hohen eingesetzt werden. Obarakteristikum derartiger Rating-Strukturen ist die Begrenzung der Turbineneintrittstemperatur von der Verdichtereintrittstemperatur, die ihrerseits

eine Punktion von Plughöhe und Pluggeschwindigkeit ist. 35

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Da üblicherweise das Verhältnis Turbineneintrittstemperatur/Verdichtereintrittstemperatur für die einzelnen Lastfälle (= ratings), beispielsweise für Startleistung, maximale Dauerleistung und dergleichen in wesentlichen konstant bleibt, resultiert aus einer steigender. Flughöhe und somit fallender ümgebungs- und somit Verdichtereintrittstemperatur eine entsprechende Zurücknahme der Turbinen eintritt stenperatur.

Dies hat sur Folge, daß die Bauteiltemperaturen der "heißen" Baugruppen zurückgehen und folglich die sur Aufrechterhaltung einer bestimmten Bauteillebensdauer erforderliche Kühlluftmenge kleiner wird. Dabei kann sogar der Grenzfall auftreten, daß auf eine Bauteilkühlung in diesen Betriebssuständen gänzlich verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend.anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen schenatisehen Axialteilschnitt einer gekühlte:: Gasturbine,

2δ Fig. 2 de:: Kopplungcteil der Kühlluftregelung zwischen VcrdicLtereiide und Hocbdruckturbinenanfand in größerer Einzelheit und

Fi^ 5 die Gesetsnä^ickoit der Ilüklluftnengenregelu:^· in

Abhängigkeit der Turbineneintrittotemperatur.

Ir. Fir. Λ ist ein Ausschnitt eines- Gasturbinen tr iebv.'orkc mit einem leitschaufelgeregelten Verdichter 2 gezeigt, der; eine "ochdruckturbine 3 nachgeordnet ist. Der l/e-g der

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Kühlluft ist durch ü, C, Γ» und E gekennzeichnet. Insbesondere verläuft der Weg der Kühlluft vor, der Entnahmesteile hinter dein Laufrad der radialen Endstufe des Verdichters 2 "bis su den Vordralldüsen vor der ersten Stufe der Ilochdruckturbine 3. In Pin;. 1 ist das Kühlluftventil in Form eines Drehschiebers 5 gezeigt, welches mit den Regeleinrichtungen ^Lv des Verdichters 2 starr verkoppelt ist, und zwar in einer Weise, wie dies in einseinen der Fig. 2 zu entnehmen ist.

Gemäß Flg. 2 umfaßt die Anordnung zur Mengenregelung für die Kühlluft A in der Plochdruckturbine 3 ein Gestänge S mit einem zweiseitigen Hebel 9, an dessen einer Hälfte die einzelnen Regeleinrichtungen 4 für zumindest einige Leitschaufeln 10 des Verdichters 2 zwecks Verstellung des Staffelungswinkels in einem bestimmten JDrehzahlbereich stetig und in Abhängigkeit von der Verdichterdrehsahl ein greifen. Am anderen Ende des zweiseitigen Hebels 9 ist ein am Verdichtergehäuse 7 gelagerter Schiöberstellhebel ^2 angelenkt, der mit seinem anderen erv.'eiterten Ende T;· in eine Kulisse 14- des Drehschiebers J eingreift. Der E-v.'eiseitige Hebel 9 'wird durch einen hydraulischen ütellzylinder15 betätigt.

Sei der prinzipiellen Darstellung wurde auf die Berücksichtigung von Einstellelomonter· wi beispielsweise GpannschlÖsser oder Exsenterbuchsen aus Gründer, einer vereinfachten Darstellung bewußt versichtet.

Durch die Erfindung stellt sich in einer, praktischen Ausführungsbeispiel eine Kühlluftnengcnrerclunn £_T/-/£! „ in Abhängigkeit der Turbineneintrittstemperatur ¹H₁,^ ein, wie dies im einzelnen in Fig. ;.· graphisch veranschaulicht ist (Kühlluftverbrauch Eochdruckturbine: J>vJ (davon 2°A für Gtufe 1, Λ% für Stufe 2)).

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Claims

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hk/ba/fr

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, 19. April 1985

Patentansprüche

( 1 .) Gekühlte Gasturbine mit lastabhängig regelbarer Kühlluf tmenge, wobei ein leitschaufelgeregelter oder ein abblasegeregelter Verdichter vorgesehen ist, und mit einer dem Verdichter nachgeordneten Hochdruckturbine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Mengenregelung für die Kühlluft (A) in der Hochdruckturbine

(3) vorgesehen ist, welche an die Regeleinrichtung(en)

(4) des Verdichters (2) starr angekoppelt ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Mengenregelung der Hochdruckturbine

(3) ein Kühlluftabschaltventil in Form eines Drehschiebers (5) hinter der Kühlluftentnahmestelle am Verdichter und vor der Hochdruckturbine (3) umfaßt, - welcher über ein am Verdichtergehäuse (7) befestigtes Gestänge (8) betätigbar ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, mit einem leitschaufelgeregelten Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (8) einen zweiseitigen Hebel (9) aufweist,

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an dessen einer Hälfte die einseinen liegeleinrichtungen (4) für zumindest einige Leitschauicln (10) des Verdichters (2) zwecks Verstellung des Gtaffelungswinkels in einen bestimmten Drehzahlbereich stetig und in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl eingreifen und an dessen anderem Ende ein im Verdichtergehäuse (7) gelagerter ßchieberstellhebel (12) angelenkt ist, der mit seinem anderen erweiterten Ende (13) in eine Kulisse (14) des Drehschiebers (5) eingreift.

4·. Gasturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Mengenregelung für die Kühlluft (A) ein Korrekturglied umfaßt, welches von der Verdichtereintrittstenperatur angesteuert ist und den von der Verdichterleitschaufelstellung oder der Abblasemenge des Verdichters (2) angesteuerten Drehschieber (5) im Sinne einer Eullpunktverschiebung der Ventilcharakteristik beeinflußt.

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